CARACTERIZAÇÃO DE CAVILHAS DE FIXAÇÃO INTRA-MEDULAR DE ESTABILIZAÇÃO DE FRACTURAS ÓSSEAS

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1 Revista da Associação Portuguesa de Análise Experimental de Tensões ISSN CARACTERIZAÇÃO DE CAVILHAS DE FIXAÇÃO INTRA-MEDULAR DE ESTABILIZAÇÃO DE FRACTURAS ÓSSEAS A. Ramos, J. A. Simões Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro RESUMO O estudo tem como objectivo apresentar a caracterização do comportamento mecânico de cavilhas de fixação intra medular de fracturas ósseas através de ensaios de flexão em 4 pontos segundo norma F e através de ensaios de torção segundo norma F Com este estudo foi possível caracterizar a rigidez estrutural de uma cavilha intra medular em flexão e torção, bem como a influência do seu diâmetro na rigidez estrutural. Foram estudadas cavilhas comerciais em liga de aço inoxidável segundo norma F138-03, com diâmetros exteriores de 9 e 11mm e 5mm de diâmetro interior, sendo estas dimensões as mais aplicadas. As cavilhas de 9 mm de diâmetro exterior revelaram rigidez média à flexão de 1166N/mm com desvio padrão de 7.98 N/mm e à torção de 23.9N.mm/º com desvio padrão de 0.2 N.mm/º. A cavilha de 11 mm de diâmetro exterior permitiu uma rigidez à flexão de 2.5 vezes superioras às de 9 mm nas mesmas condições de ensaio. 1- INTRODUÇÃO As fracturas mais comuns ocorrem em estruturas ósseas, normalmente de grandes dimensões, como por exemplo o fémur ou a tíbia (Eveleigh, 1995). Estas fracturas provocam a imobilização do paciente, devido à impossibilidade de realizar as suas actividades físicas do dia-a-dia. As soluções médicas mais aplicadas surgiram nos anos 60 de acordo com Zickel (1967), permitindo a redução das deformações ósseas na zona da fractura. Estas situações ocorrem normalmente em zonas de grande instabilidade estrutural. Efstathopoulos et al. (2007) aplicaram elementos metálicos como suporte de fracturas ósseas em estudos de estabilização, em diversas situações, com bons resultados. Este tipo de elementos estabilizadores permitem garantir a posição anatómica do osso (original) e a estabilização da fractura óssea durante a fase de recuperação. Existem três formas distintas deste tipo de fixadores, dependendo do tipo de aplicação no corpo humano. Existe a fixação interna entre a pele e o osso, que normalmente é garantida por uso de placas de fixação e parafusos. Para a fixação exterior ao corpo humano é aplicado um fixador externo de apoio à estabilização da fractura. A fixação interior é realizada dentro do osso por intermédio de cavilhas. Cada uma destas três soluções apresenta as suas Mecânica Experimental, 2009, Vol 17, Pg

2 A. Ramos, J. A. Simões vantagens e desvantagens na estabilização da fractura e no crescimento ósseo (Sadowski et al., 2002). Algumas das soluções actuais de fixação recorrem a cavilhas de fixação intramedulares e placas de osteossíntese. Talaia et al. (2007) fizeram estudos sobre placas de osteossíntese, experimentando novas soluções materiais. A aplicação de cavilhas intra- medulares no caso de fractura do fémur está esquematizada na figura 1, para o caso de diferentes tipos de fractura, fractura múltipla e fractura simples com aplicação de parafusos de fixação. A escolha do tipo de fixação normalmente depende da experiência clínica e cirúrgica do ortopedista e da facilidade de colocação. As cavilhas de fixação intra-medular de aplicação interna apresentam, entre outras vantagens, uma boa solução para os casos de inexistência de suporte ósseo para uso de placas, ou quando existem várias fracturas distanciadas. Apresentam ainda como vantagem a facilidade de colocação e a possibilidade de remoção rápida, como se pode observar pela figura 2 de uma fractura do colo do fémur. Este implante temporário permite uma estabilidade inicial superior. A sua geometria é de base cilíndrica, variando o seu diâmetro em função da carga, bem como a espessura, podendo possuir vários furos em posições pré-definidas de forma a permitir uma maior fixação em função da qualidade do osso de suporte. Fig 2 Fixação da fractura da cabeça do fémur com cavilha intra-mendular (Sadowski, 2002). A cavilha é normalmente sujeita a cargas axiais, especialmente de compressão, momentos flectores em vários planos e torsor, representados no exemplo da figura 3. Apresenta como desvantagem a baixa rigidez à flexão e torção em algumas aplicações relativamente às placas metálicas de fixação. Fig 3 Fixação da fractura da cabeça do fémur com cavilha intra-medular e forças aplicadas (adaptado de Schipper et al., 2004). Fig 1 - Tipos de fixação intra medular em fracturas do fémur. A rigidez estrutural é um factor importante para o desempenho funcional do implante, sendo importante a secção, bem como a posição dos parafusos na zona distal que permitem aumentar a rigidez da fixação 50

3 Caracterização de cavilhas de fixação intra-medular de estabilização de fracturas ósseas (Hora e tal., 1999). O material em que é fabricada a cavilha apresenta um papel fulcral na sua rigidez e nas tensões que permite suportar, sendo produzidas normalmente em ligas de aço inoxidável, pois trata-se de um implante temporário, o que não se verifica nos outros casos de fixação referidos anteriormente, que poderão ser de material reabsorvível, dependendo da aplicação e das situações de aplicação. Segundo Dela Caffiniere (1997), garantindo a rigidez da cavilha para estabilizar a fractura, apenas existem factores cirúrgicos, tais como a distância entre partes da fractura que irão determinar o tempo e sucesso da recuperação. O objectivo deste implante temporário é garantir a estabilidade da fractura permitindo a regeneração óssea sem grandes deslocamentos nas zonas fracturadas durante a recuperação do paciente. Neste estudo apenas se abordou a fixação interna por intermédio de uma cavilha de fixação com secção circular em análise estática da sua rigidez. Pois esta apresenta um papel fulcral na estabilização da fractura. 2 - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O estudo realizado teve como objectivo caracterizar o comportamento de cavilhas de fixação intra-medular para aplicação em fracturas ósseas. Para a realização do estudo foi utilizado um modelo comercial de cavilha intra-medular representado na figura 4. A secção da cavilha é circular na sua base com diâmetro interior de 5mm e diâmetro exterior de 9 ou 11mm, possuindo no seu eixo uma inclinação de 10º na região proximal. As cavilhas apresentam um comprimento superior a 10 vezes o seu diâmetro (comprimento da cavilha sem influência no seu comportamento), ou seja 90 e 110 mm para cavilhas de 9 e 11 mm de diâmetro exterior respectivamente. A parte geométrica que possui os furos de fixação apresenta maior rigidez porque permite a aplicação de parafusos nas zonas de ancoragem. Assim, importa estudar a zona recta da cavilha quando sujeita a esforços de flexão ou torção. Caso se estudasse o comportamento em compressão, seria importante analisar a influência da inclinação da mesma. Fig 4 Cavilha comercial intra-medular estudada. 2.1 Ensaio de flexão em 4 pontos De forma a aferir qual a rigidez da cavilha quando solicitada em flexão, foi consultada a norma F da ASTM. Esta norma define as condições de realização de ensaio de flexão em 4 pontos e alguns parâmetros a considerar aquando da caracterização deste tipo de implantes. As condições definidas pela norma são a distância entre pontos de aplicação da carga (C), a distância entre pontos de apoio fixos (L) e a distância entre apoio fixo e móvel (S). No caso deste estudo foi utilizado distâncias iguais a 76 mm, o que corresponde a um comprimento total de 228mm. O diâmetro máximo e mínimo dos rolos de apoio também é uma das condições definidas pela norma, com um diâmetro mínimo e máximo para os rolos de apoio de 10 a 26 mm, tendo-se considerado um diâmetro de 25 mm. Na figura 5 apresentam-se as dimensões utilizadas na caracterização das cavilhas. Este dispositivo foi adaptado a um equipamento de tracção/compressão (ShimaDzu, AG -50 KN) que permitiu aferir a carga bem como o deslocamento do ponto de aplicação da mesma. Os pontos de apoio fixo e móveis funcionam com rolamentos de rolos cilíndricos apoiados em veios. 51

4 A. Ramos, J. A. Simões 1mm/s. A máxima deformação ( ε max ) verificada na zona exterior da cavilha (IMFD) pode ser obtida através da seguinte expressão (1). Fig 5 Dispositivo desenvolvido para a determinação da rigidez à flexão de cavilhas. Todas as cavilhas são produzidas em liga de aço inoxidável segundo a norma F138-03, que corresponde à composição química 18Cr-14Ni-2.5Mo. Este tipo de liga, segundo a norma, deverá possuir uma tensão limite de elasticidade superior a 690 MPa e uma tensão de rotura superior a 860 MPa quando obtida através de trabalho a quente. As cavilhas possuíam comprimento total de 350 mm de forma a garantir o apoio durante a totalidade do ensaio. A figura 6 apresenta a etapa final do comportamento da cavilha em flexão de 4 pontos. A carga deverá ser aplicada em planos com máximo momento de inércia segundo a norma. Contudo, no presente caso, a cavilha possuía secção circular, não existindo um plano preferencial. Fig 6 Posição final do ensaio de flexão em 4 pontos. As cavilhas intra-medulares ensaiadas foram fornecidas pelo fabricante já no estado acabadas, em fase de utilização em cirurgia. Os ensaios foram realizados à velocidade de 5mm/min, inferior à velocidade limite segundo a norma de F.S.DIMFD ε max = (1) 4EI e F força aplicada, S distância entre ponto de aplicação da carga e apoio, D IMFD diâmetro exterior da cavilha intramedulares de fixação, E modulo de Young, I e momento de inércia de área. O cálculo do limite elástico para a cavilha foi obtido para 0.2% da deformação por intermédio da expressão (2), substituindo na anterior o valor da deformação. A aplicação da expressão resulta num deslocamento de mm para a cavilha de 9mm e de mm para a cavilha de 11 mm de diâmetro exterior. S.(L + 2C) Y = (2) 0.2% 1500.D IMFD L distância entre apoios C distância entre pontos de aplicação carga. O cálculo da rigidez à flexão elástica (EI e ) foi obtido por intermédio da carga elástica máxima e da flecha com base na expressão (2), sendo Y o deslocamento do ponto de apoio da carga relativamente ao apoio fixo. 2 s.f.(3l - 4s) EIe = (3) 12.Y Relativamente ao momento elástico (M y ) e momento máximo (M max ) obtém-se pela expressão (4). Fy.s Fmax.s My =,Mmax = (4) 2 2 F y força aplicada em cada momento, F max Força máxima aplicada no ensaio. 52

5 Caracterização de cavilhas de fixação intra-medular de estabilização de fracturas ósseas 2.2 Ensaio de torção De forma a quantificar a rigidez das cavilhas intra-medulares quando sujeitas a torção, foi desenvolvido um dispositivo para ensaio de torção com base na consulta da norma F , representado na figura 7. A norma define como condições de ensaio o apoio de uma das extremidades em translação e o apoio da outra extremidade em rotação, garantindo o ajustamento e fixação das extremidades aos respectivos apoios. Fig 8 - Dispositivo de ensaio de torção. Fig 7 - Dispositivo de ensaio de torção. tamento deslizante. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente, cerca de 25ºC, sendo realizado o ensaio com controlo de posição angular, com velocidade constante e registo de carga. O braço de aplicação da carga foi de 175 mm sendo calculado o momento aplicado em função do ângulo de rotação obtido. O sistema desenvolvido permite o movimento rotacional da extremidade da cavilha, com aplicação de uma carga sobe o rolamento inserido num braço. Existe uma mesa sob guias no outro extremo fixo, garantindo o deslocamento longitudinal da cavilha quando em rotação para não provocar tensões de compressão e apenas de corte. O sistema de rotação encontra-se apoiado sobre dois rolamentos de rolos cilíndricos na extremidade de aplicação da carga. A medição da carga foi realizada através de uma célula de carga de 10 KN e aplicada através de um sistema pneumático com controlo em malha fechada (Talaia et al., 2002). O ângulo de rotação da cavilha foi medido por intermédio de um encoder posicionado na extremidade livre de rotação, com resolução de º, representado na figura 8. A velocidade de rotação foi de 5º/min, para uma cavilha com comprimento máximo de 230 mm entre apoios, definida na norma para uma cavilha com diâmetro externo de 9 mm. A fixação nos apoios foi conseguida por intermédio de peças em forma de hexágonos exteriores e interiores com ajus- 3 - RESULTADOS Os ensaios realizados permitiram determinar a rigidez da cavilha em flexão e torção. Foram realizados 6 ensaios em flexão de 4 pontos e torção de cavilhas de 9 mm de diâmetro exterior. Foi ainda realizado um ensaio de flexão de uma cavilha de 11 mm, possuindo ambas diâmetro interior de 5mm. 3.1 Resultados do ensaio em flexão de 4 pontos O gráfico da figura 9 representa o comportamento das 6 cavilhas de 9mm de diâmetro exterior solicitadas em flexão. Podese observar um comportamento semelhante da curva carga-deslocamento para as 6 cavilhas, o que revela a reprodutibilidade do sistema desenvolvido. As curvas de cargadeslocamento revelam uma zona linear elástica e uma zona de comportamento plástico sem ocorrer fractura da cavilha, tendo os ensaios sido terminados devido ao limite de deformação do sistema. A tabela 1 apresenta os resultados obtidos nos 6 ensaios para cavilhas de 9 mm com base nas expressões 2, 3 e 4. Observa-se boa correlação entre resultados nos diferentes ensaios, 53

6 A. Ramos, J. A. Simões Comportamento de cavilhas de 9 mm test_1 de 11 mm, um momento máximo de N.m, muito superior ao obtido com as cavilhas de 9mm, o que mostra da importância da escolha geométrica da cavilha. Carga (N) test_2 test_3 test_4 test_5 teste6 Tabela 2 Resultados em regime linear obtidos para cavilhas de 9 mm em flexão. 500 Test Fy (N) My (N.m) EIe (N.m2) F/y (N/mm) 0-0,05 0,25 0,49 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 1,99 2,24 2,49 2,73 2,98 3,23 3,47 3,72 3,97 4,21 4,46 4,71 4,96 5,20 5,46 5,71 5,95 6,20 6,45 Deslocamento (mm) Fig 9 - Curvas carga-deslocamento em flexão. no que diz respeito à carga máxima observada, esta foi de 2513N para o ensaio 3, resultando num momento máximo de 95,5N.m, existindo apenas diferença relativamente à carga mínima em cerca de 37N. A carga máxima ocorreu para um deslocamento vertical (Y) do ponto de aplicação da carga de 2,54 mm em média. Tabela 1 Resultados máximos para cavilhas de 9 mm em flexão. Teste Carga máxima (N) M=Fs/2 (N.m) 1,0 2488,0 94,5 2,0 2475,0 94,1 3,0 2513,0 95,5 4,0 2500,0 95,0 5,0 2513,0 95,5 6,0 2488,0 94,5 Average 2496,2 94,9 STD 15,3 0,6 Relativamente à rigidez na zona elástica da cavilha, utilizando a expressão (1) e estimando o limite elástico de 0.2%, obtivemos um deslocamento de mm para uma carga de 2512 N de média e para um desvio padrão inferior a 16 N. A tabela 2 apresenta os resultados dos ensaios no que se refere ao momento elástico máximo e rigidez em flexão. Obteve-se uma rigidez em regime elástico para a cavilha de 212,9 N.m 2. Após a verificação de reprodutibilidade do sistema e de forma a verificar a influência do diâmetro exterior da cavilha, foi ensaiada uma cavilha de 11 mm de diâmetro, tendo-se obtido uma força máxima 5137N para um deslocamento de mm, representado na curva carga da figura 10. Observa-se para a cavilha 1,0 2475,0 94,05 211, ,1 2,0 2475,0 94,05 211, ,1 3,0 2500,0 95,00 213, ,8 4,0 2500,0 95,00 213, ,8 5,0 2512,5 95,48 214, ,6 6,0 2475,0 94,05 211, ,6 Average 2489,6 94,60 212, ,82 STD 16,615 0,631 1,421 7,984 F/y rigidez elástica EI e rigidez em flexão Relativamente às propriedades elásticas, obteve-se uma carga limite elástica de 5070N o que corresponde a um momento elástico de N.m, com uma rigidez em flexão de N/mm. Esta rigidez é cerca de 2.5 vezes superior à mesma da cavilha de 9 mm. 3.2 Resultados dos ensaios de torção Na figura 11 apresenta-se o comportamento das cavilhas de 9 mm quando sujeitas a torção. Observou-se um comportamento linear em regime elástico por aproximação (interpolação). O ensaio foi realizado até atingir uma rotação de 20º, pois era o limite possível para o sistema desenvolvido. Relativamente à rigidez em torção das cavilhas de 9mm, a tabela 2 contém os resultados obtidos. Observa-se uma rigidez média de Nm/º, para um desvio padrão desprezável, o que revela a reprodutibilidade do sistema. 4 - CONCLUSÕES Com este estudo foi possível aferir a rigidez à flexão em 4 pontos de cavilhas intramedulares segundo a norma F Observou-se a influência da secção na estabilidade da deformação da cavilha, que se assume como factor importante, pois o aumento da secção em 1 mm de raio equivale a aumentar a rigidez à flexão em cerca de 2,5 54

7 Caracterização de cavilhas de fixação intra-medular de estabilização de fracturas ósseas Carga(N) ,00 0,45 0,89 1,32 1,76 2,2 2,64 3,07 3,51 3,95 4,39 4,83 5,27 5,71 6,16 6,6 Deslocamento (mm) 11 mm diâmetro 9 mm diâmetro Fig 10 - Curvas carga-deslocamento em flexão. Momento (N.m) 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 Rigidez torção teste_6 teste_5 teste_4 teste_3 teste_2 teste_1 0,0-0,08 1,43 2,95 4,51 5,99 7,51 9,03 10,53 12,06 13,57 15,10 16,58 18,08 Ângulo rotação (º) Fig 11 - Curvas Momento-rotação y6 = 0,0237x R2 = 0,9993 y5 = 0,0241x R2 = 0,9986 y4= 0,0238x R2 = 0,9989 y3 = 0,0236x R2 = 0,9992 y2 = 0,024x R2 = 0,9988 y1 = 0,0241x R2 = 0,9982 Tabela 2 Resultados obtidos para cavilhas de 9mm em torção. Rigidez torsão N.m/º test 1 0,0241 test 2 0,0240 test 3 0,0236 test 4 0,0238 test 5 0,0241 test 6 0,0237 Média 0,0239 Desvio Padrão 0, vezes. Esta conclusão é importante e dá uma indicação também importante ao ortopedista para a escolha da cavilha para uma dada situação patológica. Relativamente à rigidez em torção e segundo a norma F , estas cavilhas apresentaram resultados equivalentes entre si, o que demonstra a fiabilidade do sistema de ensaios desenvolvido de acordo com as normas. REFERÊNCIAS Zickel, R. E., A new fixation device of subtrochantic fractures of the femur: preliminary report. Clinic Orthop. 54, pag , 1967 Efstathopoulos,N. E., Nikolaou, V. S., Lazarettos, J. T., Intramedullary fixation of intertrochanteric hip fractures: a comparasion of two implant designs, International Orthopaedics 31, pag , Sadowski, C., Lubbeke, A., Saudan, M., Riand, Nicolas, Stern, R., Hoffemeyer, P., Treatement of reverse oblique and transveres intertrochanteric fractures with use of an intramedullary nail or 95º scwe plate, The journal of bone and joint surgery84-a, pag , Talaia, P. M., A. Ramos, I. Abe, M. W. Schiller, P. Lopes, R. N. Nogueira, J. L., Pinto, R. Claramunt, J. A. Simões, Plated and intact femur strains in fracture fixation using fiber Bragg gratings and strain gauges, Experimental Mechanics EXME , I.B. Schipper, R.K. Marti, Chr. Van der Werken, Unstable trochanteric femoral fractures: extramedullary or intramedullary fixation. International Journal of care and Injury, 34, pp: , DelaCaffiniere, J. Y., "Healing modalities in unstable tibial fractures treated by locked flexible intramedullary fixation." Revue De Chirurgie Orthopedique Et Reparatrice De L Appareil Moteur 83(4): , Eveleigh, R. J., "A review of biomechanical studies of intramedullary nails." Medical Engineering & Physics 17(5): , Hora N, Markel DC, Haynes A, Grimm MJ., Biomechanical analysis of supracondylar femoral fractures fixed with modern retrograde intramedullary nails, J Orthop Trauma Nov;13(8): Talaia, P., Rocha, A., Ferreira, J., 2002, Suspension analysing equipment based on a hydraulic servo-cylinder. In Portuguese Conference on Automatic Control, University of Aveiro. 55